(57)【要約】【課題】  簡単な構造として性能をさらに向上させることができる改質装置、及びこれを採用した燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  本発明による燃料電池システムは、燃料より水素を発生させる改質装置と、前記水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と、前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記電気発生部に酸素を供給する酸素供給源と、を含む。前記改質装置は、内部空間を有しながら流入部と流出部が形成される本体、及び前記本体の内部空間に配置されて燃料が通過する通路を構成する反応部を含む。前記反応部は、外部から印加されたエネルギーより熱エネルギーを発生させる熱発生部材と、前記熱発生部材の表面に形成される触媒層と、を含む。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を有しながら、流入部と流出部が形成される本体；及び
前記本体の内部空間に配置されて燃料が通過する通路を成し、外部から印加されたエネルギーより熱エネルギーを発生させる熱発生部材と、前記熱発生部材の表面に形成される触
媒層と、を含む反応部；
を含む燃料電池システムの改質装置。
【請求項２】
前記熱発生部材に電気エネルギーを供給する電源供給部を含む、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項３】
前記熱発生部材は、導電性を有する金属素材からなる、請求項２に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項４】
前記熱発生部材は、前記通路の長さ方向に垂直な横断面形状が蛇行形状をしている、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項５】
前記熱発生部材と前記触媒層との間に、前記触媒層を支持する支持層が形成される、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項６】
前記本体との内面に、前記熱発生部材と前記本体を電気的に絶縁させる絶縁部が形成される、請求項１に記載の燃料電池システムの改質装置。
【請求項７】
燃料より水素を発生させる改質装置；
前記水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部；
前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源；及び
前記電気発生部に酸素を供給する酸素供給源；を含み、
前記改質装置は、
内部空間を有しながら流入部と流出部が形成される本体と、
前記本体の内部空間に配置されて燃料が通過する通路を成す反応部と、を含み、
前記反応部は、
外部から印加されたエネルギーより熱エネルギーを発生させる熱発生部材と、
前記熱発生部材の表面に形成される触媒層と、を含む燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料供給源と前記本体の流入部が第１供給ラインによって連結され、
前記本体の流出部と前記電気発生部が第２供給ラインによって連結される、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料供給源は、水素を含有した燃料を保存する燃料タンク、及び前記燃料タンクに連結設置されて前記燃料を排出させる燃料ポンプを含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸素供給源は、空気を吸入してこの空気を前記電気発生部に供給する空気ポンプを含み、
前記空気ポンプと電気発生部が第３供給ラインによって連結される、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記熱発生部材に電気エネルギーを供給する電源供給部を含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記熱発生部材は、導電性を有する金属素材からなる、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記熱発生部材は、前記通路の長さ方向に垂直な横断面形状が蛇行形状をしている、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記熱発生部材と前記触媒層との間に、前記触媒層を支持する支持層が形成される、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記本体との内面に、前記熱発生部材と前記本体を電気的に絶縁させる絶縁部が形成される、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記電気発生部が複数に積層されてスタックを形成する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、改質装置構造を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、燃料電池は、メタノールのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の電気化学反応を通じて電気エネルギーを発生させる発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池において、近来、開発されてきた高分子電解質型燃料電池（Polymer  Electrolyte  Membrane  Fuel  Cell、ＰＥＭＦＣ）は、出力特性が優れており、作動温度が低く、同時に速い始動及び応答特性を有するので、自動車のような移動用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有する。
【０００４】
このようなＰＥＭＦＣ方式の燃料電池システムは、スタック、改質装置、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは、複数の単位セルからなる電気発生集合体を形成し、燃料ポンプは、燃料タンク内の燃料を改質装置に供給する。そして、改質装置は燃料を改質して水素を発生させ、その水素をスタックに供給する。
【０００５】
この中で前記改質装置は、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて、水素を含有した燃料から水素を発生させる。そのために改質装置は、熱エネルギーを発生させる熱源部と、この熱エネルギーを吸収して前記燃料より水素を発生させる改質反応部などと、を含んで構成される。
【０００６】
前記熱源部、改質反応部は別途の容器形態に形成され、これらの各々が配管によって連結されて分散配置される。このような熱源部、改質反応部の各々は、燃料の流れ方向に平行な蜂の巣態様の通路を有し、前記通路の表面には反応を促進させる触媒層が形成される単一体型のモジュールからなる。このようなモジュールは、セラミック素材を圧出成形してモジュールを製造した後、通路の表面に反応を促進させる触媒層を形成して製造し得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このような従来の改質装置は、燃料が通過する通路が互いに密閉されていて燃料の流量が均一でなく、触媒層での燃料の拡散速度が遅延することにより改質装置全体の反応効率が低下するといった問題点がある。そして、前記各モジュールの製造工程が複雑であって生産性が低下するといった問題点がある。
【０００８】
本発明は前述の問題点を勘案したものであって、本発明の目的は、簡単な構造で性能をさらに向上させることができる改質装置、及びこれを採用した燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による燃料電池システムの改質装置は、内部空間を有しながら流入部と流出部が形成される本体、及び前記本体の内部空間に配置されて燃料が通過する通路を構成する反応部を含む。前記反応部は、外部から印加されたエネルギーから熱エネルギーを発生させる熱発生部材、及び前記熱発生部材の表面に形成される触媒層を含む。
【００１０】
この時、燃料電池用改質装置は、前記熱発生部材に電気エネルギーを供給する電源供給部を含み得る。前記熱発生部材は、導電性を有する金属素材から構成し得る。
【００１１】
前記熱放生部材は、前記通路の長さ方向に垂直な横断面形状を蛇行形状にし得る。
【００１２】
前記熱発生部材と前記触媒層との間に、前記触媒層を支持する支持層を形成し得る。
【００１３】
前記本体の内面に、前記熱発生部材と前記本体を電気的に絶縁させる絶縁部を形成し得る。
【００１４】
また、本発明による燃料電池システムは、燃料より水素を発生させる改質装置と、前記水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と、前記改質装置に燃料を供給する燃料供給源と、前記電気発生部に酸素を供給する酸素供給源と、を含む。前記改質装置は、内部空間を有しながら流入部と流出部が形成される本体と、前記内部空間に配置されて燃料が通過する通路を成す反応部と、を含む。前記反応部は、外部から印加されたエネルギーより熱エネルギーを発生させる熱発生部材と、前記熱発生部材の表面に形成される触媒層と、を含む。
【００１５】
前記燃料供給源と前記本体の流入部は第１供給ラインによって連結され、前記本体の流出部と前記電気発生部は第２供給ラインによって連結される。
【００１６】
前記燃料供給源は、水素を含有した燃料を保存する燃料タンク、及び前記燃料タンクに連結設置されて前記燃料を排出させる燃料ポンプを含み得る。
【００１７】
前記酸素供給源は、空気を吸入してこの空気を前記電気発生部に供給する空気ポンプを含み、前記空気ポンプと電気発生部が第３供給ラインによって連結される。
【００１８】
前記電気発生部が複数に積層され、スタックを形成し得る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による改質装置は、燃料を通過させる通路を構成する熱発生部材の横断面形状を蛇行形状とし得ることにより、前記通路を通過する燃料の流れ分布が均一にあり、燃料の流れが乱流化されて、触媒層の表面に対する燃料の接触面積を増大させることができる。また、改質反応が起こる反応部の構造が単純であるので、製造が容易であり且つ生産性が向上するといった長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施例について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、多様な相違した形態で実現でき、ここで説明する実施例に限定されない。
【００２１】
図１は、本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。
【００２２】
図面を参照すれば、本発明による燃料電池システム１００は、水素を含有した燃料を改質して水素を発生させ、この水素と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式を採用している。
【００２３】
このような燃料電池システム１００において、電気を発生させるための燃料は、メタノール、エタノール又は天然ガスのように水素を含有した液体状又は気体状燃料を含む。しかし、以下で説明する燃料は液体状燃料を意味する。
【００２４】
そして、このような燃料電池システム１００では、前記水素と反応する酸素として別途の保存手段に保存された酸素を用いることができ、酸素を含有する空気を用いることもできる。しかし、以下では、後者を例として説明する。
【００２５】
前記燃料電池システム１００は基本的に、水素と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させるスタック１０と、燃料から水素を発生させる改質装置２０と、前記燃料を改質装置２０に供給する燃料供給源３０と、前記酸素をスタック１０に供給する酸素供給源４０と、を含んで構成される。
【００２６】
図２は、図１のスタックを示した分解斜視図である。本発明に適用されるスタック１０は、複数の電気発生部１１を連続配置して成る電気発生集合体で構成される。
【００２７】
このような電気発生部１１は、膜−電極アセンブリー（Membrane-Electrode  Assembly、ＭＥＡ）１２を中心に、その両面にセパレータ（当該業界では‘二極式プレート’とも言う）１６を配置して電気を発生させる最小単位の燃料電池である。
【００２８】
ここで、膜−電極アセンブリー１２は、水素と酸素の電気化学反応を起こす所定の面積の活性領域を有し、一面にアノード電極、他の一面にカソード電極を備え、二つの電極の間に電解質膜を備える構造を有する。
【００２９】
前記アノード電極は、水素を酸化反応させて水素イオン（プロトン）と電子に変換させる機能をする。カソード電極は、前記水素イオンと酸素を還元反応させ、所定の温度の熱と水分を発生させる機能をする。そして、電解質膜は、アノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させるイオン交換の機能を遂行する。
【００３０】
そして、セパレータ１６は、膜−電極アセンブリー１２に水素と酸素を供給する機能の他、前記アノード電極とカソード電極を直列に連結させる伝導体の機能も遂行する。
【００３１】
このように構成されるスタック１０の最外郭には、前記複数の電気発生部１１を密着させる別途の加圧プレート１３、１３´を設置することもできる。しかし、本発明によるスタック１０は前記加圧プレート１３を排除し、複数の電気発生部１１の最外郭に位置するセパレータ１６が前記加圧プレート１３、１３´の役割に代わるように構成し得る。また、前記スタック１０は、加圧プレート１３、１３´が複数の電気発生部１１を密着させる機能の他に、セパレータ１６の固有な機能を有するように構成し得る。
【００３２】
前記加圧プレート１３、１３´のうちの一側の加圧プレート１３には、改質装置２０より発生する水素を電気発生部１１に供給するための第１注入部１３ａと、酸素供給源４０から供給される空気を電気発生部１１に供給するための第２注入部１３ｂと、が形成され、他の加圧プレート１３´には、電気発生部１１で反応して残った水素ガスを排出させるための第１排出部１３ｃと、前記電気発生部１１で水素と酸素の結合反応を通じて生成された水分を含有した未反応空気を排出させるための第２排出部１３ｄと、が形成される。
【００３３】
本発明で、改質装置２０は、熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて水素を含有した燃料から水素を発生させる。このような改質装置２０の構造は、図３及び図４を参照しながら後に詳細に説明する。
【００３４】
前記のような改質装置２０に燃料を供給する燃料供給源３０は、液状の燃料を保存する燃料タンク３１と、燃料タンク３１に連結設置されてこの燃料タンク３１から前記燃料を排出させる燃料ポンプ３３と、を含む。この時、前記改質装置２０と燃料タンク３１は、管路形態の第１供給ライン８１によって連結され、前記改質装置２０と電気発生部１１の第１注入部１３ａは、管路形態の第２供給ライン８２によって連結される。
【００３５】
そして、酸素供給源４０は、所定のポンピング力で空気を吸入し、この空気を前記電気発生部１１に供給する空気ポンプ４１を含んでいる。この時、前記空気ポンプ４１と電気発生部１１の第２注入部１３ｂは、管路形態の第３供給ライン８３によって連結される。
【００３６】
以下では、言及してきたる改質装置２０の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００３７】
図３は、本発明の実施例による燃料電池システムの改質装置を示す斜視図であり、図４は、図３の改質装置を切断した断面図である。図面を参照すれば、本発明の実施例による改質装置２０は、本体２１と、前記本体２１内に配置されて水素を含有した燃料より水素を発生させる反応部２５と、前記反応部２５に電源を印加して熱エネルギーを発生させる電源供給部２９と、を含んで構成される。
【００３８】
本体２１は、所定の容積の内部空間を有しながら形成され、このような内部空間に燃料を供給するための流入部２２と、前記流入部２２と実質的に連通し、前記燃料より発生した水素を外部に排出させるための流出部２３と、が形成される。一例として、本体２１は、両端に流入部２２と流出部２３が形成される直六面体形状のハウジング構造を有する。このような本体２１は前記形状に限定されず、円筒形状などの多様な形状に変形可能である。
【００３９】
この時、前記本体２１は断熱性を有する素材、例えば、セラミック、ステンレス鋼、アルミニウムなどを形成し得る。
【００４０】
そして、前記本体２１の流入部２２と燃料供給源３０の燃料タンク３１は、前述の第１供給ライン８１によって連結して設置され、前記本体２１の流出部２３とスタック１０の電気発生部１１は、前述の第２供給ライン８２によって連結して設置される。
【００４１】
前記反応部２５は、熱エネルギーによる改質触媒反応を通じて前記燃料より水素を発生させる改質反応部であって、本体２１の内部に配置されて前記燃料が通過する通路２４を形成する。このような反応部２５は、外部から印加されたエネルギーより熱エネルギーを発生させる熱発生部材２６と、前記熱発生部材２６の表面に形成されて燃料の改質反応を促進させる触媒層２８と、を含む。
【００４２】
そして、熱発生部材２６と触媒層２８との間には、触媒層２８を支持する支持層２７を形成し得る。このような支持層２７は触媒層２８を支持する担体であって、通常のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）又はチタニア（ＴｉＯ２）など構成し得る。
【００４３】
つまり、このような熱発生部材２６は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄などからなる金属プレートを、シワ板模様に屈曲するように成形して形成される。したがって、熱発生部材２６は、通路２４の長さ方向に垂直な横断面形状を蛇行形状にし得る。
【００４４】
この時、本体２１の内面に絶縁層２０５を形成して、本体２１と熱発生部材２６が全て伝導性のある物質からなる場合にも互いに電気的に絶縁させる。そして、熱発生部材２６は、本体２１の内部表面に対して若干離れるように設置するのが好ましい。
【００４５】
そして、電源供給部２９は、前記熱発生部材２６の両端部に直列に連結して設置し、熱発生部材２６に電気エネルギーを供給する。そうすると、熱発生部材２６の電気抵抗によって熱エネルギーが発生する。
【００４６】
本実施例では、熱発生部材２６にエネルギーを供給するためのエネルギー供給源として電源供給部２９を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。したがって、本発明には、熱発生部材２６に多様な形態のエネルギーを供給するエネルギー供給源を適用することができ、これも本発明の範囲に属する。
【００４７】
前記のように構成された本発明の実施例による燃料電池システムの動作を詳細に説明する。
【００４８】
まず、電源供給部２９を通して熱発生部材２６に所定の電源を印加する。そうすると、前記熱発生部材２６では、電源供給部２９から印加された電源に対する抵抗によって熱エネルギーが発生する。
【００４９】
このような状態で、燃料ポンプ３３を稼動させ、燃料タンク３１に保存された燃料を第１供給ライン８１及び流入部２２を通じて本体２１の内部に供給する。そうすると、前記燃料が反応部２５によって形成された通路２４を通過しながら前記熱エネルギーを吸収し、触媒層２８による燃料の改質反応を通じて前記燃料より水素が発生する。
【００５０】
次に、前記燃料より発生した水素を本体２１の流出部２３を通じて排出させ、この水素を第２供給ライン８２を通してスタック１０の第１注入部１３ａに供給する。これと同時に、空気ポンプ４１を稼動させ、第３供給ライン８３を通じて空気をスタック１０の第２注入部１３ｂに供給する。
【００５１】
したがって、前記水素はセパレータ１６を通して膜−電極アセンブリー１２のアノード電極に供給される。そして、空気中の酸素はセパレータ１６を通して膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に供給される。
【００５２】
これにより、アノード電極では、酸化反応を通じて水素を電子とプロトンに分解する。そして、プロトンが電解質膜を通してカソード電極に移動し、電子は電解質膜を通して移動できず、セパレータ１６又は別途の端子部（図示せず）を通して、隣接する膜−電極アセンブリー１２のカソード電極に移動する。このような電子の流れで電流が発生し、付随的に熱と水が発生する。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲、明細書及び添付図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。
【図２】図１のスタックを示した分解斜視図である。
【図３】本発明の実施例による燃料電池システムの改質装置を示す斜視図である。
【図４】図３の改質装置を切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  スタック
１１  電気発生部
１２  膜−電極アセンブリー
１３、１３´  加圧プレート
１３ａ  第１注入部
１３ｂ  第２注入部
１３ｃ  第１排出部
１３ｄ  第２排出部
１６  セパレータ
２０  改質装置
２１  改質装置本体
２２  流入部
２３  流出部
２４  通路
２５  反応部
２６  熱発生部材
２７  支持層
２８  触媒層
２９  電源供給部
３０  燃料供給源
３１  燃料タンク
３３  燃料ポンプ
４０  酸素供給源
４１  空気ポンプ
８１  第１供給ライン
８２  第２供給ライン
８３  第３供給ライン
１００  燃料電池システム
２０５  絶縁層
【図１】
2006012790.tif 000003
【図２】
2006012790.tif 000004
【図３】
2006012790.tif 000005
【図４】
2006012790.tif 000006